CN107179052A - 一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法 - Google Patents

一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱共焦测量***在线标定装置和方法，该装置包括白光宽光谱光源、滤光片、双分支光纤、光纤出射光束、色散物镜、色散物镜出射光束、待测物、位移传感器、光谱仪和计算机，该方法包括转动滤光片的滤光片轮，让白光宽光谱光源发出的宽光谱白光光束通过各单色滤光片，通过计算得到被测物的位移d和波长λ之间的关系dλ＝a+bλ，完成光谱共焦测量***在线标定。该装置和方法实现了不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。

Description

一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦测量***的在线标定。
背景技术
光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，具有测量精度高，速度快，对被测表面的纹理、倾斜等因素不敏感，对材料无特殊要求等优点，在微位移测量、物体表面三维形貌测量等方面具有重要的应用。
光谱共焦测量***通常在出厂时会进行精密标定，然而由于在不同使用环境下，环境参数如温度、湿度的变化等，将使光谱共焦测量***中色散物镜的结构发生变化，从而使色散物镜的色散关系发生变化，因此，在工作环境下进行光谱共焦测量***的在线标定是实现光谱共焦测量***高精度测量的重要保证。
本发明给出一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法，通过旋转滤光片获得多个单色光，通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小，再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合，获得当前环境下光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式，从而实现不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，该装置包括白光宽光谱光源(10)、可旋转的滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)；其中，白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30)，经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301)，光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401)，色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。
优选地，所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)，第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定，且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
优选地，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的带通滤光片(208)后，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
优选地，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后，得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)
优选地，当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7，它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值，从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d＝a+bλ (3)
一种光谱共焦测量***在线标定方法，其采用上述的光谱共焦测量***在线标定装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201)，得到波长为λ1的单色光；
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1；
S3、重复步骤S1～S2，通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7；
S4、根据(λ1，d1)、(λ2，d2)、(λ3，d3)、(λ4，d4)、(λ5，d5)、(λ6，d6)和(λ7，d7)七组数据，它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合，得到拟合系数a和b的值，从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ＝a+bλ；
S5、完成光谱共焦测量***在线标定，转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208)，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，光谱共焦测量***正常工作。
本发明提供的光谱共焦测量***在线标定装置与方法，可以实现不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。通过旋转滤光片获得多个单色光，通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小，再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合，获得当前环境下光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式，从而避免了因环境参数变化对光谱共焦测量***测量精度的影响。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***在线标定装置示意图；
图2为根据本发明实施方式的滤光片的组成及结构图；
图3为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***在线标定方法流程图；
其中，微位移装置包括：10、白光宽光谱光源，20、滤光片，30、双分支光纤，301、光纤出射光束，40、色散物镜，401、色散物镜出射光束，50、待测物，60、位移传感器，70、光谱仪，80、计算机。
滤光片20包括：200、滤光片轮转轴，201、第一单色滤光片，202、第二单色滤光片，203、第三单色滤光片，204、第四单色滤光片，205、第五单色滤光片，206、第六单色滤光片，207、第七单色滤光片，208、带通滤光片，209、滤光片轮。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明所述的光谱共焦测量***在线标定装置示意图，包括白光宽光谱光源(10)、滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)。
白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30)，经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301)，光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401)，色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。通过旋转滤光片(20)得到多个波长，通过位移传感器(60)测得该波长下被测物(50)的位移，通过最小二乘法对被测物(50)的位移和波长之间的关系进行线性拟合，得到光谱共焦测量***波长和位移的对应关系。
如图2所示，为所述滤光片的组成及结构图，所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)，第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定，且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的带通滤光片(208)后，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后，得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7，它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值，从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d＝a+bλ (3)
如图3所示，为本发明所述的光谱共焦测量***在线标定方法流程图，当采用上述光谱共焦测量***在线标定装置进行光谱共焦测量***在线标定时，光谱共焦测量***在线标定方法包括如下步骤：
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201)，得到波长为λ1的单色光；
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1；
S3、重复步骤S1～S2，通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7；
S4、根据(λ1，d1)、(λ2，d2)、(λ3，d3)、(λ4，d4)、(λ5，d5)、(λ6，d6)和(λ7，d7)七组数据，它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合，得到拟合系数a和b的值，从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ＝a+bλ；
S5、完成光谱共焦测量***在线标定，转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208)，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，光谱共焦测量***可以正常工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，该装置包括白光宽光谱光源(10)、可旋转的滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)；其中，白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30)，经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301)，光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401)，色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。
2.根据权利要求1所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)，第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定，且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
3.根据权利要求2所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的带通滤光片(208)后，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
4.根据权利要求2所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后，得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)。
5.根据权利要求4所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置，其特征在于，当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7，它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值，从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d＝a+bλ (3)。
6.一种光谱共焦测量***在线标定方法，其采用权利要求1‐5中任一项的光谱共焦测量***在线标定装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201)，得到波长为λ1的单色光；
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1；
S3、重复步骤S1～S2，通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，各波长满足如下关系
λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7；
S4、根据(λ1，d1)、(λ2，d2)、(λ3，d3)、(λ4，d4)、(λ5，d5)、(λ6，d6)和(λ7，d7)七组数据，它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合，得到拟合系数a和b的值，从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ＝a+bλ；
S5、完成光谱共焦测量***在线标定，转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208)，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，光谱共焦测量***正常工作。
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